基于GPRS技术的水质分析传感网络构建.pdf

第3 8 卷第2 期光学仪器 v 0 1 3 8 N o 2 2 0 1 6 年4 月O P T I C A LI N S T R U M E N T S A p r il 2 0 1 6 文章编号 1 0 0 5 5 6 3 0 2 0 1 6 0 2 0 1 3 9 0 6 基于G P R S 技术的水质分析传感网络构建 杨杰 高秀敏 张宇 李楠 郁敏 南学芳 杭州电子科技大学电子信息学院 浙江杭州 3 1 0 0 1 8 摘要 基于分组无线业务 G P R S 技术特性 采用无线射频传感网络的搭建 面向对象的软件开 发语言 J A V A 安卓技术 光的散射原理以及光谱水质检测技术 开发了面向水环境的自动检 测 分析系统 该系统主要实现对环境水浊度的检测 利用无线分组服务数据通信技术远程传 输检测数据 并将检测软件嵌入到手机上 实现手机随时检测水浊度 全面提升了系统的自动化 水平 利用功放技术 使射频范围扩大至20 0 0m 且实测丢包率小于0 5 利用射频传感网络 组网 实现20 0 0m 半径范围共用一个G P R S 网关连接互联网 一个组网下挂探头最多可达2 5 5 个 成本减少4 0 同时读取2 5 5 个探头的实测网络耗时不超过5S 通过系统硬件与软件的设 计 模拟实验结果表明 该系统可以实现可靠的远程管理和无线传感网络的高速率通讯 关键词 G P R S 无线传感 散射 浊度 光谱 中图分类号 T P1 1文献标志码 Ad o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 5 5 6 3 0 2 0 1 6 0 2 0 0 9 C o n s t r u c t io no fG P S R b a s e ds e n s o rn e t w o r kf o rw a t e rq u a lit ya n a ly s is Y A N GJ ie G A OX iu m in Z H A N GY u L IN a n Y U M in N A N X u e f a n g S c h o o lo fE le c t m n icI n f o r m a t io n U n iv e r s it yo fH a n g z h o uD ia n z i U n iv e r s it y H a n g z h o u3 1 0 0 1 8 C h in a A b s t r a c t B a s e do nt h ef e a t u r e so fG P R S a d o p t in gt h ew ir e le s sr a d iof r e q u e n c ys e n s o rn e t w o r k s a n dt h ela n g u a g eo ft h eo b j e c t o r ie n t e d s o f t w a r e J A V A a n d r o id t h ep r in c ip leo flig h ts c a t t in g a n dt h et e c h n o lo g yo fu s in gs p e c t r u mt od e t e c t t h ew a t e rq u a lit y as y s t e mis d e v e lo p e df o r w a t e re n v ir o n m e n tm e a s u r e m e n t w h ic hc a nr e a liz ea u t o m a t icd e t e c t io na n da n a ly s is T h em o s t im p o r t a n tf u n c t io nist h ed e t e c t io no fw a t e rt u r b id it y A d o p t in gG P R St ot r a n s m itr e m o t e d e t e c t io nd a t aa n de m b e d d in gt h ed e t e c t io ns o f t w a r eint h ep h o n et od e t e c tt h ew a t e rt u r b id it y w h e n e v e ra n dw h e r e v e rw ea r e T h ist e c h n o lo g yp r o m o t e st h ele v e lo fa u t o m a t io no ft h es y s t e m c o m p r e h e n s iv e ly T h et e c h n o lo g yo fp o w e ra m p lif ic a t io nist oe x p a n dt h er a d iof r e q u e n c yr a n g e t o2 0 0 0m e t e r sa n dt h em e a s u r e dp a c k e tlO S Sr a t eiS1 e s st h a n0 5 R a d iof r e q u e n c ys e n s o r n e t w o r ka c h ie v e ss h a r in gaG P R Sg a t e w a yt oc o n n e c tI n t e r n e tint h er a n g eo f20 0 0m e t e r s r a d iu s An e t w o r kc o n t a in s2 5 5p r o b e s T h ec o s tisc u tt o6 0 a n dt h em e a s u r e dn e t w o r k t im ec o n s u m p t io niSle s st h a n5s e c o n d sw h e n2 5 5p r o b e sa r er e a da tt h es a m et im e B yt h e d e s ig no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h es im u la t io nr e s u lt ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nr e a liz e r e lia b ler e m o t ec o n t r o la n dh ig hr a t ew ir e le s ss e n s o rn e t w o r kc o m m u n ic a t io n K e y w o r d s G P R S w ir e le s ss e n s o r s c a t t in g t u r b id it y s p e c t r a l 收稿日期 基金项目 作者简介 2 0 1 5 0 7 一0 6 国家重大科学仪器设备专项 2 0 1 2 Y Q l7 0 0 0 4 0 8 国家自然科学基金面上项目 2 0 1 2 c 1 2 0 1 7 5 杨杰 1 9 9 1 一 女 硕士研究生 主要从事光电检测 水质分析 物联网方面的研究 6 1 3 7 8 0 3 5 浙江省重大科技专项 E m a il 9 6 3 9 0 0 2 5 4 q q c o m 1 4 0 光学仪器 第3 8 卷 引言 近年来随着工业的发展 科技的进步 人们生活水平的提高 水环境的污染也成为一个日益严重的问 题 工业废水 生活污水的排放如果得不到有效的治理将会严重影响人们的生活 而很多场景都不适合 长期近距离监测 如污染严重的化工厂附近水域 面积巨大的江河湖泊 水产养殖公司的养殖水域等 所 以本系统将利用先进的光散射原理及光谱水质检测技术对水浊度进行低成本的远程实时监测 以便进行 有效的治理 G P R S 水质分析传感系统是采用远程通信 1 和计算机控制等手段自动进行水浊度的实时采集与传输 处理系统 从数据传输方式来看 水质数据采集系统主要通过无线分组业务 2 来传输 因为G P R S 具有 速度快 网络覆盖范围广 扩展容易 维护简单 使用费用低 性价比极高等优点 射频网络具有组网方便 成本低 功耗低 组网节点数多等优点 基于以上优点本文主要研究基于射频组网技术的G P R S 水质分 析传感网络 3 的搭建与实现 以及基于光栅微型光谱仪 4 的水质分析方法 整个系统主要实现对环境水 浊度的检测与数据采集传输处理 5 1 系统原理与组网 本系统主要由一个浊度分析探头 G P R S 系统 以及P C 机或者安卓手机嘲构成 首先 将浊度分析 探头放入水中 用户通过G P R S 发出检测指令 探头开始工作 探头上的L E D 发光照射到水中颗粒物上 利用测量穿过待测水样的入射光束被待测水样中的悬浮颗粒色散所产生的散射光强度来获取数据 探头 将获取的数据通过网络传给用户 然后经过一定的算法即可得到我们所需要的浊度信息 从而实现对水 质的无线监测与数据传输 系统原理图如图1 所示 组网 集中器 G P R S 射频 一U S3 遂 头 懿硼一 0 陬8 黝二旷 组网 o 射频节点 水产养殖J 服务器 一 G 黧豢频 I 址集点探头 图1 系统原理图 F ig 1 S y s t e ms c h e m a t ic e 第2 期 杨杰 等 基于G P R S 技术的水质分析传感网络构建 1 4 1 无线分组业务广泛应用于水质分析 基于G P R S 的水质数据采集系统通过遥测终端 7 将现场传感器 采集到的数据利用G P R S 网络和I n t e r n e t 网络传输到监测中心的数据库服务器 8 该组网系统主要由数 据采集系统 集中器 G P R S 数据传输网络嘲 监控中心4 部分构成 其中数据采集系统主要由水质探头和 射频节点构成 将探头获取到的数据通过射频节点传出 集中器主要包括G P R S 模块和射频接收模块 负 责接收来自每个探头的数据然后通过G P R S 数据传输网络传给服务器 监控中心通过访问服务器便可得 到监控数据 系统组网如图2 所示 2 3 2 接口 集点探头 集中器 G P R S 射频1 2 3 2 接口 集点探头 图2 系统组网 腿2S y s t e mn e t w o r v a n g 2 3 2 接口 集点探头 水质探头由光谱传感器与采集器构成 光谱传感器将水文监测数据转换成脉冲 采集器采集脉冲 数 据采集后 在与服务中心通信前存储在终端子系统中 采集器通过R S 2 3 2 串口连接的射频模块 n R F 2 4 L 0 1 P 与集中器内置的射频模块相互通讯 集中器是数据传输装置 10 即G P R SD T U 通信模块和 射频传输模块 它是水文数据采集系统的中心管理和控制设备 负责定时读取采集器数据 1 1 系统的命 令传送 数据通信和网络管理等功能 G P R SD T U 基于G P R S 网络平台 内嵌T C P U D P 传输控制协 议 用户数据报协议 及功能强大的单片机系统 提供R S 2 3 2 串行接口 可以直接与电力线通信 P L C 系 统 远程终端控制 R T U 系统 馈线自动化终端设备 F T U 和配电变压器采集终端 T T U 等采集设备 透明连接u2 实现G P R S 远程实时数据传输功能 13 G P R S 模块内含有一个用户识别卡 S I M 模块 S I M 卡号是G P R S 模块的唯一标识 射频模块n R F 2 4 L 0 1 P 接收一个局域网探头所采集到的数据 传输 距离达20 0 0in 完全可满足某个工厂的需要 射频模块收集到的数据通过G P R S 传到服务器 2 探头工作原理 本探头利用散射原理获取浊度信息 即利用测量穿过待测水样的入射光束被待测水样中的悬浮颗粒 色散所产生的散射光强度来实现 9 0 方向的散射光 不受颗粒尺寸的影响 因此浊度仪测量时采用9 0 散 射光检测 当入射光强度相同时 颗粒物浓度越高 它所引起的光散射与吸收将会成倍增加 为消除颗 粒物浓度较高对测量结果的影响 可在探头光路中增设前向或者后向散射光检测器 2 1 水质分析探头的组成 水质分析探头采用带有参考光路的可见一紫外光谱分析构架 光谱探头如图3 所示 由于采用了双光 路双光谱仪同步采样的方案 完全克服了光源的不稳定性 而且无需任何运动部件 2 2 探头的关键技术 水质检测探头利用了很多光检测相关技术 有水质光谱分析技术 基于矢量物理光学干涉理论的光 作夕卜r夕r r夕卜r 1 4 2 光学仪器 第3 8 卷 栅优化设计 基于像差优化光束光刻方法的光栅加工工艺 基于光栅微型光谱仪的结构设计与研发 多参 数水质分析光谱信号处理技术等 利用这些技术能够准确地采集到水质参数 oo雹 Oo I r 时 o o l 口 口 个 光源驱动电源 2 光源 3 一准直透镜 卜窗体片 5 聚焦透镜 6 聚焦透镜 7 参考光测量光潜仪 8 测量光测量光谱仪 9 一参考光路 1 0 一测量光路 图3 探头构成 3 P r o b ec o n s t it u t io n 3 浊度数据传输原理 3 1 浊度数据传输协议 数据传输方式为半双工通信方式 通信链路的建立与解除均由信息帧来控制 每帧由帧起始符 地 址域 控制码 数据长度 数据域 帧信息纵向校验码及帧结束符7 个部分组成 3 2 利用射频模块完成组网 由于每个G P R S 模块只能连接一个水质探头 为了节约 成本 所以本设计利用射频模块进行组网 探头的串口接在 射频模块M C U 串口上 采集点将探头的数据通过该射频模 块无线发送给集中器的射频模块 这样就完成了对所有采集 点探头的组网 后续集中器会将射频模块接收到的数据根 据协议打包传输给服务器 本设计使用的是n R F 2 4 L 0 1 P 射 频模块 传输距离可达20 0 0m 满足实际组网需求 20 0 0in 半径内实测丢包率不超过0 5 如表1 所示 3 3 集中器和服务器建立连接的过程 表1 丢包率测试 T a b 1T e s to fp a c k e tlo s s 集中器上电后 因为内置的G P R S 模块插有S I M 卡 可以通过G P R S 网络连接互联网 然后集中器根 据内置的服务器I P 地址和端口号向远程的服务器建立S o c k e t 网络连接 发送接入请求数据包 服务器接 收到请求包后 按照协议解析判断是否为允许接人设备 合法则反馈请求成功数据包给集中器 连接建立 成功 进行正常数据收发 否则断开网络连接 如果监控中心在一定时间内 时间可以由工作人员设定 不向集中器发送数据 那么集中器就会自动断开与服务器的连接 3 4 监控中心和服务器建立连接的过程 监控中心是客户监管采集点探头数据的地方 监控中心首先与服务器建立S o c k e t 网络连接 输入账 号 密码 根据协议打包发送给服务器鉴权 请求接入 服务器比对账号成功则向监控中心反馈鉴权成功 命令 同时根据数据库账号匹配集中器M A C 地址 确定该监控中心所对应的集中器 连接建立成功 进行 正常数据收发 否则断开网络连接 3 5 监控中心向采集点发送命令的过程 在监控中心和监控中心对应的集中器均与服务器连接正常后 监控中心将要发送的命令根据协议打 包后发送给服务器 服务器匹配集中器的M A C 地址 找到该集中器与服务器的网络连接 然后将监控中 O l J Ol l l 第2 期杨杰 等 基于G P R S 技术的水质分析传感网络构建 1 4 3 心的命令帧通过该网络连接转发至采集点所在集中器 集中器接收到命令帧后 解析命令帧 获取到采集 点的射频节点地址 然后将监控中心的命令发往该采集点 控制探头做出动作 3 6 采集点向监控中心传送数据的过程 采集点在探头采集到水浊度信号后 通过组网射频模块将打包好的数据帧发往集中器 集中器的射 频接收到数据帧后 通过串口传输给G P R S 模块 该模块通过网络通信将数据帧发往服务器 服务器接收 到该数据帧后 匹配该集中器M A C 地址所属监控中心的网络连接 通过该网络连接将数据帧发往对应的 监控中心 监控中心根据数据帧协 表2 不同时间段实测网络耗时 议解析 得到水浊度信息 通过P C T a b 2T im ec o n s u m p t io nf o rd if f e r e n tp e r io d 端或手机端软件直观地显示出来 监控中心向采集点探头读取水质浊 度信息 当挂探头数量达到最大值 2 5 5 个的情况下 实测从发送命令至 接收到所有探头水质浊度信息总共 耗时时间不超过5s 如表2 所示 4 应用软件的设计 监控中心应用软件安装在P C 上 P C 接收数据和发送控制命令是通过应用软件来实现的 因此 应用软 件的设计主要是指利用计算机高级语言 J 瓜 A 开发工作站上的数据接收和处理软件 对于G P R S 无线数 据传输方式的软件开发 采用客户机 服务器模式 简称C S 然后进一步将此软件嵌入到手机上 只要能连 网就可以实现手机随时随地检测浊度 该软件主要实现实时监测数据并将每一时刻的数据绘制成曲线 以 便用户进行观察比较 数据包括浊度与温度 软件界面图如图4 所示 豳O b s e r v e r T o o l 口爨 图 l软件界面 F ig4S o f t w a r ein t e r f a c e 5 结论 水质监测与人的生活密切相关 水的浊度监测又显得尤为重要 如果水质监测数据得不到实时的采 1 4 4 光学仪器 第3 8 卷 集与获取将给人的生活与国家建设带来极大的危害 本文提出的G P R S 水质监测网络 无论是在可靠 性 价格还是可实施性方面都极具优势 实现了P C 机来监测数据 并且可以利用手机来实时监测数据 这 样工作效率更高更智能化 本文利用射频进行组网 节约成本 并且可以同时监测多个厂区的多个探头 提出并研发基于光栅微型光谱仪的水质分析方法 可实现水质分析过程中单个探头的多参数检测 以及 在紫外一可见光频段连续光谱分析 解决了用不同检测方法实现多参数水质在线检测的技术难题 具有微 小型 低功耗 高性能的特性 在P C 监测的基础上 将软件集成在手机端 利用手机实时监控水质参数 方 便且高效 参考文献 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I 1 0 1 1 1 7 r 1 2 1 3 严雪萍 成立 韩庆福 等 基于G P R S 的远程数据采集系统设计E J 微计算机信息 2 0 0 8 2 4 2 1 1 5 1 1 6 2 2 蒋鹏 基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统关键技术研究口 传感技术学报 2 0 0 7 2 0 1 1 8 3 1 8 6 余向阳 无线传感器网络研究综述E J l 单片机与嵌入式系统应用 2 0 0 8 8 8 1 2 许梦泽 郭阳宽 祝连庆 等 光栅单色仪中光谱重建的影响因素分析l J 光学仪器 2 0 1 4 3 6 2 1 1 2 1 1 5 李建中 高宏 无线传感器网络的研究进展E J 计算机研究与发展 2 0 0 8 4 5 1 1 1 5 李宗恒 李俭伟 主要智能手机操作系统发展现状及前景展望F J 移动通信 2 0 1 0 3 4 1 1 5 1 1 8 李规 钟新跃 基于c s 架构的远程水质监测传输系统E J 计算机测量与控制 2 0 1 1 1 9 1 1 2 6 2 3 2 6 2 5 席飞 余震虹 丁伟 等 用G P R S 技术设计在线水质监测系统E J 1 科学技术与工程 2 0 0 9 9 1 4 4 1 6 7 4 1 7 0 4 1 7 4 项光宏 闻路红 王静 等 水质在线监测技术研究及应用 J 1 控制工程 2 0 1 0 1 7 S 1 1 1 1 1 1 3 赵昱 赵德安 赵建波 基于G P R S 技术的水质在线监测系统口 传感器与微系统 2 0 1 0 2 9 7 8 4 8 6 B H E N D EM W A G HSJ u T P A T 八Aq u ic ks u r v e yo nw ir e le s ss e n s o rn e t w o r k s C 2 0 1 4F o u r t hI n t e r n a t io n a l C o n f e r e n c eo n C o m m u n ic a t io nS y s t e m sa n dN e t w o r kT e e h n o lo g ie s B h o p a l 1 E E E 2 0 1 4 1 6 0 1 6 7 W I G H T M A NPM L A B R A D O RM 八A 3 At o p o lo g yc o n s t r u c t io na lg o r it h mf o rw ir e le s ss e n s o rn e t w o r k s C 1 I E E EG lo b a l T e le c o m m u n ic a t io n sC o n f e r e n c e N e wO r le a n s L o I E E E 2 0 0 8 1 6 C A L L A W A YE G O R D A YP H E S T E RL e ta 1 H o m en e t w o r k in gw it hI E E E8 0 2 1 5 4 Ad e v e lo p in gs t a n d a r df o rlo w r a t ew ir e le s s p e r s o n a la r e an e t w o r k s J I E E EC o m m u n ic a t io n sM a g a z in e 2 0 0 2 4 0 8 7 0 7 7 编辑 张磊 上接第1 3 8 页 参考文献 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 Y E ZY L I US Z H A N GP e ta 1 A c c e le r a t io nc o n t r o lo fA ir yb e a m sw it ho p t ic a llyin d u c e dr e f r a c t iv e in d e xg r a d ie n t J O p t ic L e t t e r s 2 0 1 1 3 6 1 6 3 2 3 0 3 2 3 2 E L L E N B O G E NT V O L O C H B L O C HN G A N A N Y P A D O W I C ZA e ta 1 N o n lin e a rg e n e r a t io na n dm a n ip u la t io no fA ir yb e a m s J N a t u r eP h o t o n ic s 2 0 0 9 3 7 3 9 5 3 9 8 S I V I L O G L O UGA B R O K YJ D O G A R I UA e ta 1 O b s e r v a t io no fa c c e le r a t in gA ir yb e a m s J P h y s ic a lR e v ie wL e t t e r s 2 0 0 7 9 9 2 1 2 1 3 9 0 1 S I V I L O G L O UGA B R O K YJ D O G A R I UA e ta 1 B a llis t icd y n a m ic so fA ir yb e a m s J O p t ic sL e t t e